【哈爾濱工業大學】《焊接結構學》精品課 P19 - 20. 20 熔化區域的局部熱作用（二）

一般的電極斑點的直徑是在毫米尺度的 加熱斑點的直徑一般是在釐米尺度的 通常情況下,如果電流要增加的話 熱源密度的最大值 就是圖上的正態分佈的這條曲線的峯值 電流增加,這個峯值也要增加 我們看這個圖中間橫向的三條曲線 橫向排列的三條曲線 頭一個電流是95A,第二個是190A,第三個是900A 電壓是一樣的 電流增大,熱流密度的峯值就增加 加熱範圍相應的也要增加 對比融化級和非融化級的兩種情況 它們的加熱範圍相同 但是熱源密度比較高,對於金屬級來說 埋湖和明湖相比的話 埋湖的時候,它的熱流峯值就更高 熱源顯得更集中 限能量,經常提到的一個參數 就是熱流除以焊接速度 這個參數就是所謂的限能量 那麼從我計算過程當中來看 只要這個限能量是恆定的 那你算出結果呢 其他參數不變的話,算出結果就是一樣的 但我保證限能量恆定,我可能有各種辦法 讓限能量這不變 但是呢,焊接電壓、焊接電流可能是變的 比如說,我輸入的熱量、電壓電流都很大 焊接速度也很快 我輸入電壓電流小,焊接速度也慢 其結果是限能量是不變的 這樣的話,理論計算的結果應該是一樣的 但是實際上它不一樣 那麼我們來看一看這個情況 我們看下邊這個圖 這是二氧化碳氣體保護焊時候的情況 我們改變電壓電流的組合 保證熱流密度和限能量不變 然後看焊道和熱影響區的截面形狀和尺寸發生什麼樣的變化 如果我們是維持電流和電壓不變 而改變焊接速度和限能量的話 那麼看結果是什麼樣 我們看一看這個圖 上面這一排 限能量是1.44每毫米千焦 焊接速度是每秒7.7毫米 那麼對應過來 限能量沒變,但我讓電壓和電流再變 讓電壓減小,電流增大 頭一個圖,電壓37伏,電流300安 形成的焊道截面的形狀相對比較扁平 容身比較淺 當我讓電壓變到27.8伏 電壓降低,但是電流增加到了400安 這時候限能量沒有變 但是這時候你看這個焊道截面的形狀 容身就變得比較深 而且這個時候它的焊道的 融化區的焊道的截面積 融化區的面積要比第一種情況的融化區面積要大 在我們前面公式計算上 這種情況你反映不出來 要注意 那麼這就是說你前面的計算模型是有缺陷的 你做的簡化太多了 那麼下邊的一個圖 類似的情況 對比就更明顯這一些 這個時候下面平均限能量比較小 焊接速度比較高的時候 這種差異就變得更顯著了 那麼這個時候在我們計算溫度差的時候 我們是要注意可能出現這種情況的 熱平衡我們就介紹這麼多 下面我們討論一下電極 它的加熱和融化問題 所謂電極 焊絲焊條 焊絲焊條上的溫度差怎麼算 大家肯定能想到 意味導熱 無線場感用面熱源套上去算 就可以算電極 算焊絲焊條上的 這個加熱情況 我這焊條外邊還帶藥皮呢 有藥皮的和沒藥皮的有什麼區別 那麼一些細緻的問題你要考慮 處理問題的基本思路 意味傳熱 無線場感配合面熱源 這是基本思路 但落腳到具體問題上 你要把它做細化處理 我們看電極上的加熱溫度 電極上的加熱溫度 我們考慮 加熱和融化電極的能量都有哪些 焊接電流通過焊絲流過去 然後流到弓箭上 在弓箭之間產生電弧 它在焊絲上流的時候 就要產生電阻熱 這個電阻熱會使焊絲的溫度升高 焊絲端部跟弓箭形成了電弧 電弧加熱弓箭的同時 它也加熱焊絲 焊絲端部在電弧作用下受熱 熱量要沿着焊絲向上傳 另外這個過程當中 可能還會發生一些化學反應 化學反應也可能產生一部分熱量 或者是消耗一部分熱量 化學反應是放熱反應還是吸熱反應 根據具體情況 可能是放熱也可能吸熱的 但是這部分 化學反應這部分 它所佔的比例 跟電弧跟電阻熱相比 它很小 一般說它不會超過百分之三 所以化學反應這部分 我們就忽略掉 不管它了 那麼這樣的話 我們要考慮的 電弧和電阻熱 兩個 電阻熱這一部分 電流它加熱 那麼它在流過整個電極截面 它使溫度要升高 然後電阻是隨溫度變化的 溫度越高 電阻值一般來說就越大 那麼如果是電焊條 焊絲外邊有藥皮 那麼藥皮也要升溫 也要消耗能量值 那麼藥皮的溫度 它肯定是比內部的金屬焊絲的溫度要低 它的溫度來源主要是靠裏邊向外傳 傳過來的 所以這樣的話 在焊條的鏡像上 從焊絲到藥皮 就存在有一個溫度梯度 那麼電流加熱電焊條的時候 我們來看一看 電流在焊芯上流過 然後發生的總熱量 我們把它設定爲Q 總熱量爲Q 這部分熱量都幹了什麼活 一部分一部分我們來看 那麼它一個是讓焊芯的溫度升高 消耗一部分熱量 讓焊芯升溫這部分熱量 我們把它定爲是Q1 還有它讓藥皮的溫度升高 藥皮溫度升高這部分消耗的熱量定爲是Q2 再有就是向周圍戒指去散熱 有熱損耗 那麼熱量損耗這部分 我們定爲是Q3 總共的熱量幹了這麼三件事 這個Q就等於這三項之和 那麼這個Q等於多少 電流加熱這部分 電流流過導體 導體本身有電阻 根據焦耳棱赤定律 所產生的總熱量 我們可以算 那麼這個熱量 你考慮電壓 就是截面電阻乘上電流的平方值 那麼這個電阻值是多大 你看你用這個材料的電導率是多少 然後這個焊芯的截面積是多大 焊芯有多長 從導電阻出來 幹伸長是多長 這段是流過電流的 再往上那段沒有 幹伸長 這部分 那麼套公式 總的熱量 我們可以算出來 然後這部分讓焊芯升溫的 這部分熱量 我們看 這部分熱量怎麼算 它跟焊芯的比熱容是成正比的 和這個順勢加熱速度是成正比的 那麼就是Q1 它等於C1乘上dT 然後乘上焊芯的截面 乘上幹伸長的長度 乘上被加熱的時間 就是這部分熱量值 讓焊芯升溫的這部分熱量值 就是這麼大 同理 讓藥皮升溫的這部分熱量值 也是這麼個關係 只不過熱物理參數變了 C2取值跟焊芯不一樣 這是C2和肉2 這個藥皮的截面積 是AC不是AE 那麼就是這部分 表面散熱 那麼用散熱公式 散熱係數乘上溫差 乘上散熱表面的表面積 就是散熱這部分Q3 Q123三部分 總熱量乾的三樣活 分別是什麼都有了 套到公式前面的等式裏面去 總熱量就幹了這麼多事 我們得到一個微分方程 求解這個微分方程 按實際上的溫度上 溫度分佈 我們就出來了 那麼這個微分方程怎麼求 我們考慮 藥皮 它的平均溫度 它跟焊芯的溫度 它比焊芯的溫度要低 但這個溫差 不會非常的大 這樣的話 對於藥皮這個部分 所產生的溫差項 吸收器溫差項T-T3 我們就用T-T0來代替 做一下近視處理 那麼這個時候 放熱係數 我們相應的 用一個比較小的放熱係數 那麼這樣的話 這個放熱係數αT 取原來的0.9 或者是0.95 把這散熱係數給它往下降一降 讓它散熱小一點 溫度它原來 溫差要大一些 溫差要小一些 用一個比較大一點的溫差了 我把散熱係數變得小一點 這邊往右偏點 這邊往左偏點 讓它距離精確結果 差的不至於太遠 那麼做了這麼一個處理 然後這裏邊還有個溫度T度 在藥皮上的T度 和汗心上的T度 近視把它們取爲是相等的 線性處理這一下 把這個公式就做了一個簡化 簡化之後的這個微分方程 只有一項具有一階的微分項 那這個微分方程 求解就很簡單了 這裏邊藥皮和汗心的比熱絨 和密度都不一樣 那麼就得分項算 把它們放一塊取一個平均值 取了平均值之後 就按照相同的來處理了 那麼取平均值 就按照上面這個表達式再來取 這個比熱絨 汗心的比熱絨乘汗心的潔面積 加上藥皮的比熱絨乘藥皮的潔面積 它們之和再除以汗心的潔面積 獲得的這個數據就是平均的比熱絨 那麼顯然這個平均比熱絨 比汗心的比熱絨它要大 那麼這個電流密度 是總電流除以汗心的潔面積 那麼套到這個關係式裏邊 我們推導出一個表達式 用這個平均這個比熱絨 來表示的一個表達式 就是下邊的這個關係式 這裏邊反映的是汗心和藥皮的 綜合考慮的平均考慮的一個結果 然後電阻率 材料的電阻率 材料的電阻率呢 跟它的成分是有關的 不同成分的材料 它的電阻率不一樣 並且溫度升高 電阻率要增加 那在哪個溫度段 電阻率取多大 那麼圖裏給出了一些常用鋼材 它的電阻率 隨溫度的變化的情況 那麼這個圖給的是裸汗溼的 沒藥皮的 自動汗時候 溫升時候的情況 電弧 我們前面講的是電阻熱這部分 電阻熱對汗溼溫升的貢獻那部分 給出一個微分方程的表達式 電弧這部分呢 還有電弧呢 電弧這部分 我們就用移動的面熱源 配合無線腸杆的計算公式 去套去算 電弧貢獻的這部分 電阻熱貢獻的這部分 加上電弧貢獻的這部分 兩個加一塊 前面有疊加原理 我們就加一塊 加一塊之後 就是汗溼上的溫升 那麼這樣的話 汗溼上的溫升 我們就可以算了 那麼疊加出來 汗溼上的溫度分佈 我們可以看到 在靠近汗溼端部 溫度非常非常的高 因爲這個地方 金屬要融化 要蒸發的 所以它的溫度非常高 然後迅速地降低 降低之後 在後面呢 就出現一個緩慢的降低 那麼前面 靠近汗 電極端部這塊 主要是電弧在起作用 然後很小一個區域 電弧籠罩區域之外 電弧的作用 基本上體現不出來了 後邊就是 電阻熱在起作用 電阻熱起作用這一部分 靠近電極端部這塊 電阻熱起的作用大 遠離它這部分 電阻熱起的作用小 爲什麼 因爲這邊溫度高 溫度高 電阻率就大 電阻值就大 電阻值大 產熱量就大 因爲流過的電流是一樣的 所以這邊的電阻熱的產熱量 它也大 那麼遠離部分 溫度低 電阻小 產生的熱量 這也小 所以這個汗溼上的溫度分佈 就是這麼一個大致L型的 這麼一條曲線